НАНОРОЗМІРНІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ СТВОРЕННЯ ВИСОКОЧУТЛИВИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ГАЗОВИХ СЕНСОРІВ: DOI: https://doi.org/10.17721/1728-2209.2023.1(58).10

Людмила  ОЛЕКСЕНКО; Неллі МАКСИМОВИЧ; Георгій ФЕДОРЕНКО; Олександр  РІПКО; Єлизавета  СИМОНЕНКО

Автор(и)

Людмила ОЛЕКСЕНКО Київський національний університет імені Тараса Шевченка https://orcid.org/0000-0002-7970-6895
Неллі МАКСИМОВИЧ Київський національний університет імені Тараса Шевченка https://orcid.org/0000-0003-3053-5586
Георгій ФЕДОРЕНКО Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України https://orcid.org/0000-0001-6704-7215
Олександр РІПКО Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Єлизавета СИМОНЕНКО Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Ключові слова:

нанорозмірні матеріали, золь-гель-синтез, діоксид олова, напівпровідникові сенсори, чутливість до водню

Анотація

Вступ. Для створення адсорбційно-напівпровідникових газових сенсорів, що мають високу чутливість і хороші динамічні характеристики у поєднанні з малою масою, габаритами й низьким енергоспоживанням, надзвичайно актуальним є розроблення нових оксидних нанорозмірних матеріалів на основі діоксиду олова.

Метою пропонованої роботи є підвищення чутливості напівпровідникових сенсорів на основі діоксиду олова, якого можна досягти, наприклад, зменшенням розміру частинок напівпровідникового матеріалу, що зумовлює збільшення частки атомів матеріалу на його поверхні щодо загальної кількості атомів в об'ємі, яка може обумовлювати розмірний ефект при формуванні чутливості сенсорів, а також синтезувати золь-гель-методом нанорозмірний діоксид олова й дослідити його як матеріал газочутливого шару сенсорів.

Методи. Фізико-хімічні властивості синтезованих матеріалів вивчали методами ТЕМ, РФА, ІЧ-спектроскопії, ДТА-ДТГ, теплової десорбції аргону й електрофізичним методом.

Результати. Золь-гель-методом синтезовано нанорозмірний вихідний напівпровідниковий матеріал на основі діоксиду олова й охарактеризовано його методами ІЧ-спектроскопії, РФА, ДТА-ДТГ, ТЕМ. Сенсорні наноматеріали, одержані із синтезованого діоксиду олова, було приготовано з паст, що містили різні кількості SnO₂ та карбоксиметилцелюлози й були сформовані за температур 400 та 600^oС. Установлено, що склад пасти значною мірою впливає на характеристики сенсорів, отриманих на їх основі. Найвищу чутливість до водню мають сенсори, що створені на основі пасти із 70 % SnO₂. Характеристики сенсорів різного складу пояснюються необхідністю наявності значної кількості контактів між частинками сенсорного матеріалу, що забезпечують електричну провідність сенсора. Екстремальний характер температурної залежності чутливості сенсорів, створених із синтезованого матеріалу, підтверджує внесок розмірного ефекту у формування чутливості.

Висновки. На основі нанорозмірного матеріалу, отриманого в ході золь-гель-синтезу, створено високочутливі напівпровідникові сенсори водню. Дослідження газочутливих властивостей до водню сенсорів, вироблених із синтезованого наноматеріалу, показали перспективність його використання для створення високочутливих напівпровідникових газових сенсорів.

Посилання

Batzill, M., Diebold, U. (2005). The surface and materials science of tin oxide. Progress in Surface Science, 79(2–4), 47–154. https://doi.org/10.1016/j.progsurf.2005.09.002

Buvaylo, А. І., Oleksenko, L. P., Maksymovych, N. P. (2010). Sensors to hydrogen on the base of nanosized tin dioxide. Nanostructured material science, 2, 38–43 [in Ukrainian].

Cabot, A., Arbiol, J., Morante, J. R. et al. (2000). Analysis of the noble metal catalytic additives introduced by impregnation of as obtained SnO sol–gel nanocrystals for gas sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 70, 87–100. https://doi.org/10.1016/S0925-4005(00)00565-7

Chebanenko, A., Filevska, L., Grinevich, V., Smyntyna, V. (2023). Electrical Characteristics of Nanosized ZnO Films, Obtained Using Polyvinyl Alcohol, in Different Atmospheres. Springer Proceedings in Physics book series (SPPHY, vol. 279, 9 pages). https://doi.org/10.1007/978-3-031-18096-5_17

Eranna, G., Joshi, B. C., Runthala, D. P., Gupta R. P. (2004). Oxide Materials for Development of Integrated Gas Sensors. A Comprehensive Review. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 29(3–4), 111–188. https://doi.org/10.1080/10408430490888977

Fedorenko, G., Oleksenko, L., Maksymovych, N., Vasylenko, I. (2020). Cerium-doped SnO2 nanomaterials with enhanced gas sensitive properties for adsorption semiconductor sensors intended to detect low H2 concentrations. Journal of Materials Science, 55, 16612–16624. https://doi.org/10.1007/s10853-020-05199-w.

Geckeler, K. E., Rosenberg, E. (2006). Functional Nanomaterials. American Scientific Publishers.

Guidi, V., Carotta, M. C., Ferroni, M., Martinelli, G., Sacerdoti, M. (2003). Effect of Dopants on Grain Coalescence and Oxygen Mobility in Nanostructured Titania Anatase and Rutile. Journal of Physical Chemistry B, 107(1), 120–124. https://doi.org/10.1021/jp013572u

Gurlo, A. (2011). Nanosensors: Towards Morphological Control of Gas Sensing Activity. SnO2, In2O3, ZnO and WO3 Case Studies. Nanoscale, 3(1), 154–165. https://doi.org/10.1039/C0NR00560F

Hongnan, Z., Zhenyu, L., Li, L. et al. (2010). Enhancement of hydrogen monitoring properties based on Pd–SnO2 composite nanofibers. Sensors and Actuators B. Chemical, 147(1), 111–115. https://doi.org/10.1016/j.snb.2010.01.056

Kelp, G., Tätte, T., Pikker, S., Mändar, H., Rozhin, A. G., Rauwel, P., Vanetsev, A. S., Gerst, A., Merisalu, M., Mäeorg, U., Natali, M., Persson, I., Kessler, V. G. (2016). Self-assembled SnO2 micro- and nanosphere-based gas sensor thick films from an alkoxide-derived high purity aqueous colloid precursor. Nanoscale, 8, 7056–7067. https://doi.org/10.1039/C5NR07942J

Mirzaei, A., Kim, J. H., Kim, H. W., Kim, S. S. (2019). Gasochromic WO3 Nanostructures for the Detection of Hydrogen Gas: An Overview. Applied Science, 9(9), 1775. https://doi.org/10.3390/app9091775

Oleksenko, L. P., Maksymovych, N. P., Buvailo, A. I., Matushko, I. P., Dollahon, N. (2012). Adsorption-semiconductor hydrogen sensors based on nanosized tin dioxide with cobalt oxide additives. Sensors and Actuators B: Chemical, 174, 39–44. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.07.079

Oleksenko, L. P., Maksymovych, N. P., Shuvar, L. V., Matushko, I. P. (2013). Nanosized semiconductor materials СoхОy/SnO2 for sensors to carbon monoxide. Theoretical and Experimental Chemistry, 49(5), 295–299. https://doi.org/10.1007/s11237-013-9330-x

Oleksenko, L. P., Maksymovych, N. P., Sokovykh, E. V., Matushko, I. P. (2014). Effect of Palladium Additives on the Functional Characteristics of Semiconductor Hydrogen Sensors Based on Nanosized SnO2. Theoretical and Experimental Chemistry, 50(2), 115–120. https://doi.org/10.1007/s11237-014-9355-9

Orel, B., Lavrencic-Stangar, U., Crnjak-Orel, Z., Bukovec, P., Kosec, M. (1994). Structural and FTIR spectroscopic studies of gel-xerogel-oxide transitions of SnO2 and SnO2/Sb powders and dip-coated films prepared via inorganic sol-gel route. J. Non-Cryst. Solids, 167(3), 272–288. https://doi.org/10.1016/0022-3093(94)90250-X

Peng, S., Yingshuo, Y., Jing, X., Yanfeng, S., Jian, M., Geyu, L. (2011). One-step synthesis and gas sensing characteristics of hierarchical SnO2 nanorods modified by Pd loading. Sensors and Actuators B: Chemical, 160(1), 244–250. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.07.043

Ponzoni, A. (2022). Metal Oxide Chemiresistors: A structural and functional comparison between nanowires and nanoparticles. Sensors, 22(9), 3351–3390. https://doi.org/10.3390/s22093351

Rounder, Е. (2006). Size matters: why nanomaterials are different. Chem. Soc. Rev., 35, 583–592. https://doi.org/10.1039/B502142C

Wang, B., Zhu, L. F., Yang, Y. H., Xu, N. S., Yang, G. W. (2008). Fabrication of a SnO2 Nanowire Gas Sensor and Sensor Performance for Hydrogen. The Journal of Physical Chemistry C, 112(17), 6643–6647. https://doi.org/10.1021/jp8003147

Xiuru, X., Jinghui, S., Hongnan, Z. et al. (2011). Effects of Al doping on SnO2 nanofibers in hydrogen sensor. Sensors and Actuators B, 160, 858–863. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.08.072

Yamazoe, N., Shimanoe, K. (2009). New perspectives of gas sensor technology. Sensors and Actuators B: Chemical, 138(1), 100–107. https://doi.org/10.1016/j.snb.2009.01.023

Yan, Y., Ma, Z., Sun, J., Bu, M., Huo, Y., Wang, Z., Li, Y., Hu, N. (2021). Surface microstructure-controlled ZrO2 for highly sensitive room-temperature NO2 sensors. Nano Materials Science, 3(3), 268–275. https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.02.001

Zhang, G., Liu, M. (1999). Preparation of nanostructured tin oxide using a sol-gel process based on tin tetrachloride and ethylene glycol. Journal of Materials Science, 34, 3213–3219. https://doi.org/10.1023/A:1004685907751